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DE102019219476A1 - Micromechanical device with cavern access through an ASIC substrate and manufacturing process - Google Patents

Micromechanical device with cavern access through an ASIC substrate and manufacturing process Download PDF

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Publication number
DE102019219476A1
DE102019219476A1 DE102019219476.1A DE102019219476A DE102019219476A1 DE 102019219476 A1 DE102019219476 A1 DE 102019219476A1 DE 102019219476 A DE102019219476 A DE 102019219476A DE 102019219476 A1 DE102019219476 A1 DE 102019219476A1
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DE
Germany
Prior art keywords
asic
cavern
access
substrate
micromechanical device
Prior art date
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Pending
Application number
DE102019219476.1A
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German (de)
Inventor
Johannes Classen
Martin Rambach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat (10, 11) und einem MEMS-Substrat (20), welche eine Kaverne (30) umschließen, mit einem wiederverschlossenen Kavernenzugang (60) mit einem stoffschlüssigen Verschluss (65) an einer äußeren Oberfläche der Vorrichtung.Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Kavernenzugang von einer äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats bis zur Kaverne durch einen Zugangsbereich (45) des ASIC-Substrats verläuft, der von ASIC-Strukturen (40) ausgespart ist.Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung.The invention is based on a micromechanical device with an ASIC substrate (10, 11) and a MEMS substrate (20), which enclose a cavity (30), with a reclosed cavern access (60) with an integral closure (65) an outer surface of the device. The essence of the invention is that the cavern access runs from an outer surface of the ASIC substrate to the cavern through an access area (45) of the ASIC substrate which is cut out by ASIC structures (40). The invention also relates to a method for producing a micromechanical device.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, welche eine Kaverne umschließen, mit einem wiederverschlossenen Kavernenzugang mit einem stoffschlüssigen Verschluss an einer äußeren Oberfläche der Vorrichtung.The invention is based on a micromechanical device with an ASIC substrate and a MEMS substrate, which enclose a cavern, with a reclosed cavern access with an integral closure on an outer surface of the device.

Bei kombinierten MEMS Bauelementen, d. h. einer on-Chip Integration von mehreren Sensoren, wie beispielsweise Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren, werden meist in verschiedenen Kavernen unterschiedliche Gasdrücke eingestellt. Nach derzeitigem Stand der Technik werden für Drehratensensoren sehr geringe Kavernendrücke verwendet, während bei Beschleunigungssensoren regelmäßig höhere Drücke Verwendung finden. Die Realisierung der unterschiedlichen Drücke in unterschiedlichen Kavernen kann mit Hilfe verschiedener Techniken erfolgen, beispielsweise dem Einsatz von Getter-Materialien, wie in der Druckschrift EP 2004 542 B1 gezeigt ist. Daneben ist bekannt, Kavernen mit je einem Zugang zu versehen und diesen wieder zu verschließen. Dazu ist beispielsweise aus den Patentschriften US 2016 0244 325 A1 und US 2016 0355 394 A1 die Verwendung eines Oxid-Reseal-Prozesses bekannt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014 202 801 A1 ist die Verwendung des Laser-Reseal-Prozesses bekannt.In the case of combined MEMS components, ie an on-chip integration of several sensors, such as acceleration sensors and rotation rate sensors, different gas pressures are usually set in different caverns. According to the current state of the art, very low cavity pressures are used for rotation rate sensors, while higher pressures are regularly used for acceleration sensors. The implementation of the different pressures in different caverns can be done with the help of different techniques, for example the use of getter materials, as in the publication EP 2004 542 B1 is shown. It is also known to provide caverns with one access each and to close them again. For example, from the patents US 2016 0244 325 A1 and US 2016 0355 394 A1 the use of an oxide reseal process is known. From the German Offenlegungsschrift DE 10 2014 202 801 A1 the use of the laser reseal process is known.

Bei dem Laser-Reseal-Prozess ist es erforderlich, eine Zugangsöffnung zu der zu verschließenden Kaverne zu erzeugen. Dies erfolgt bisher auf dem Kappenwafer und nicht auf dem Sensorwafer. Bei mikromechanischen Vorrichtungen, bei denen ASIC-Wafer und Sensorwafer vertikal integriert werden, also ein ASIC-Wafer als Kappe für einen MEMS-Wafer verwendet wird, ist es wünschenswert, neue Konzepte für die Kavernenöffnung zu finden.In the laser reseal process, it is necessary to create an access opening to the cavern to be closed. So far, this has been done on the cap wafer and not on the sensor wafer. In micromechanical devices in which the ASIC wafer and sensor wafer are vertically integrated, that is to say an ASIC wafer is used as a cap for a MEMS wafer, it is desirable to find new concepts for opening the cavern.

Die vorliegende Erfindungsmeldung zeigt eine besonders effiziente Realisierungsmöglichkeit auf, bei denen der Reseal-Zugang durch den ASIC-Wafer erfolgt. Alternative Vorschläge, bei denen der Reseal-Zugang für ein ASICap-Bauelement durch den Sensorwafer angelegt wird, sind in den Veröffentlichungen DE 201710207111 A1 und DE 102017215531 A1 dargestellt.The present invention disclosure shows a particularly efficient implementation option in which the reseal access takes place through the ASIC wafer. Alternative proposals, in which the reseal access for an ASICap component is created through the sensor wafer, are in the publications DE 201710207111 A1 and DE 102017215531 A1 shown.

Aufgabetask

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Kavernenzugang durch ein ASIC-Substrat und dazu ein Herstellungsverfahren zu schaffen.It is the object of the present invention to create a micromechanical device with a cavity access through an ASIC substrate and a manufacturing method for this purpose.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, welche eine Kaverne umschließen, mit einem wiederverschlossenen Kavernenzugang mit einem stoffschlüssigen Verschluss an einer äußeren Oberfläche der Vorrichtung.The invention is based on a micromechanical device with an ASIC substrate and a MEMS substrate, which enclose a cavern, with a reclosed cavern access with an integral closure on an outer surface of the device.

Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Kavernenzugang von einer äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats bis zur Kaverne durch einen Zugangsbereich des ASIC-Substrats verläuft, der von ASIC-Strukturen ausgespart ist.The essence of the invention is that the access to the cavern runs from an outer surface of the ASIC substrate to the cavern through an access area of the ASIC substrate that is cut out by ASIC structures.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung sieht vor, dass der Verschluss aus einer erstarrten Schmelze aus dem Material an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats besteht, welches den Kavernenzugang umgibt und insbesondere ein Laserschmelzverschluss ist.An advantageous embodiment of the micromechanical device according to the invention provides that the closure consists of a solidified melt from the material on the outer surface of the ASIC substrate which surrounds the cavern access and is in particular a laser melt closure.

Vorteilhaft ist, dass der Kavernenzugang in Form einer Laserbohrung ausgestaltet ist. Vorteilhaft ist aber auch, dass der Kavernenzugang in Form eines anisotropen Ätzkanals ausgestaltet ist.It is advantageous that the access to the cavern is designed in the form of a laser drilling. However, it is also advantageous that the access to the cavern is designed in the form of an anisotropic etching channel.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung sieht vor, dass die Vorrichtung an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats eine Ausnehmung mit einem Boden aufweist und der Kavernenzugang mit dem Verschluss an dem Boden angeordnet ist.An advantageous embodiment of the micromechanical device according to the invention provides that the device has a recess with a base on the outer surface of the ASIC substrate and the cavern access with the closure is arranged on the base.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Vorrichtung sieht vor, dass das ASIC Substrat rückgedünnt ist.An advantageous embodiment of the micromechanical device according to the invention provides that the ASIC substrate is thinned back.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, welche eine Kaverne umschließen, mit den Schritten:

  1. A: Bereitstellen eines ASIC-Substrats mit einem Zugangsbereich, der von ASIC Strukturen ausgespart ist;
  2. B: Bonden des ASIC-Substrats mit einem MEMS Substrat, wobei die ASIC-Strukturen an die Kaverne angrenzen;
  3. C: Herstellen eines Kavernenzugangs durch Herstellen einer durchgehenden Ausnehmung von einer äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats bis zur Kaverne; D: Wiederverschließen des Kavernenzugangs mit einem stoffschlüssigen Verschluss an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats.
The invention also relates to a method for producing a micromechanical device with an ASIC substrate and a MEMS substrate, which enclose a cavity, with the steps:
  1. A: Providing an ASIC substrate with an access area that is cut out by ASIC structures;
  2. B: bonding the ASIC substrate to a MEMS substrate, the ASIC structures adjoining the cavern;
  3. C: producing a cavern access by producing a continuous recess from an outer surface of the ASIC substrate to the cavern; D: Reclosing the access to the cavern with an integral closure on the outer surface of the ASIC substrate.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass nach dem Schritt A und vor dem Schritt B ein Sackloch in den Zugangsbereich des ASIC Substrats eingebracht wird, im Schritt B das ASIC-Substrat derart auf das MEMS-Substrat gebondet wird, dass das Sackloch einen Teil einer Kaverne bildet, und im Schritt C zum Herstellen der durchgehenden Ausnehmung ein Graben von der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats bis zum Sackloch eingebracht wird. Vorteilhaft ist, dass das Sackloch mittels eines Ätzprozesses eingebracht wird.An advantageous embodiment of the method according to the invention includes that after in step A and before step B a blind hole is made in the access area of the ASIC substrate, in step B the ASIC substrate is bonded to the MEMS substrate in such a way that the blind hole forms part of a cavern, and in step C for production A trench is introduced into the continuous recess from the outer surface of the ASIC substrate to the blind hole. It is advantageous that the blind hole is made by means of an etching process.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Graben mittels eines Ätzprozesses eingebracht wird. Besonders vorteilhaft ist, dass mittels des Ätzprozesses auch wenigstens ein weiterer Graben für einen Durchkontakt eingebracht wird.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the trench is introduced by means of an etching process. It is particularly advantageous that at least one further trench for a through contact is also introduced by means of the etching process.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Schritt C der Kavernenzugang durch Laserbohren hergestellt wird. Vorteilhaft ist, dass im Schritt D der stoffschlüssige Verschluss mittels Laserschmelzen hergestellt wird.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that in step C the cavern access is established by laser drilling. It is advantageous that, in step D, the cohesive closure is produced by means of laser melting.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor dem Schritt D an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats mittels eines Ätzprozesses eine Vertiefung mit einem Boden hergestellt wird und der Kavernenzugang an dem Boden angeordnet wird.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that, before step D, a recess with a base is produced on the outer surface of the ASIC substrate by means of an etching process and the cavern access is arranged on the base.

Vorteilhaft ist, dass das ASIC Substrat nach dem Schritt B an der äußeren Oberfläche, insbesondere durch Schleifen und/oder chemisch-mechanisches Polieren, abgedünnt wird.It is advantageous that the ASIC substrate is thinned on the outer surface after step B, in particular by grinding and / or chemical-mechanical polishing.

Vorteilhaft ist auch, dass das ASIC Substrat nach dem Schritt D an der äußeren Oberfläche, insbesondere durch Schleifen und/oder chemisch-mechanisches Polieren, planarisiert wird.It is also advantageous that after step D the ASIC substrate is planarized on the outer surface, in particular by grinding and / or chemical-mechanical polishing.

Die Erfindung erlaubt den Einsatz der Laser-Reseal-Technik für ein kombiniertes MEMS Bauelement mit ASIC-Kappe mit mehreren Kavernen mit unterschiedlichen Drücken, ist jedoch nicht darauf beschränkt.The invention allows the use of laser reseal technology for a combined MEMS component with an ASIC cap with several caverns with different pressures, but is not restricted to this.

Der Kern der Erfindung besteht in einem Herstellungsverfahren für einen Kavernenzugang zur Realisierung des Laser-Reseal-Prozesses in ASIC-Kappen-Technologie zur Einstellung eines definierten Gasdrucks in mindestens einer Kaverne einer mikromechanischen Vorrichtung.The essence of the invention consists in a manufacturing method for a cavern access for realizing the laser reseal process in ASIC cap technology for setting a defined gas pressure in at least one cavern of a micromechanical device.

Bei der Verwendung der ASIC-Kappen-Technologie wird der MEMS-Wafer, beispielsweise ein Sensorwafer, direkt mit dem ASIC-Wafer verbunden. Der bisherige Ansatz im Stand der Technik, den Kavernenzugang in dem Kappenwafer anzulegen, ist aufgrund der im ASIC vorhandenen Schichten und integrierten Schaltungen nicht ohne weitere Maßnahmen umsetzbar. Eine Herstellung des Kavernenzugangs durch den Sensorwafer benötigt zusätzliche Prozessschritte oder einen sehr dünnen MEMS Wafer maximal 150 µm. Dies würde aber die Verwendbarkeit des fertigen MEMS Bauelements deutlich einschränken, da wichtige Eigenschaften des Sensors, wie etwa die Biegeempfindlichkeit, direkt von der Dicke des Sensors (inkl. Kappe) abhängen. Daher könnte ein solcher stark rückgedünnter Sensor mit Kavernenzugang durch den Sensorwafer nicht für alle Applikationen, insbesondere hoch genaue Inertialsensoren, eingesetzt werden.When using the ASIC cap technology, the MEMS wafer, for example a sensor wafer, is connected directly to the ASIC wafer. The previous approach in the prior art of creating the cavern access in the cap wafer cannot be implemented without further measures due to the layers and integrated circuits present in the ASIC. A production of the cavern access through the sensor wafer requires additional process steps or a very thin MEMS wafer maximum 150 µm. However, this would significantly limit the usability of the finished MEMS component, since important properties of the sensor, such as bending sensitivity, depend directly on the thickness of the sensor (including the cap). Therefore, such a heavily thinned-back sensor with cavern access through the sensor wafer could not be used for all applications, in particular highly accurate inertial sensors.

Mit der hier vorliegenden Erfindung wird die Einschränkung der Sensordicke bei Verwendung eines Laser-Reseal-Prozesses in der ASIC Kappen-Technologie überwunden, indem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kavernenzugang durch den ASIC-Wafer ermöglicht wird.With the present invention, the limitation of the sensor thickness when using a laser reseal process in ASIC cap technology is overcome by allowing cavern access through the ASIC wafer by means of the method according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei eine Reihe von Vorteilen auf. Der ASIC-Wafer hat im Allgemeinen eine geringere Schichtdicke als der Sensorwafer. Dadurch verkürzt sich die Prozesszeit zum Anlegen des Kavernenzugangs. Wird dieser beispielsweise. mit einem Trench-Prozess angelegt, wird dieser kostengünstiger sein. Das Verfahren erfordert keine Änderungen im MEMS Prozess. Alle für das Wiederverschließen des Kavernenzugangs erforderlichen Prozessschritte erfolgen im ASIC-Wafer. Dies vermeidet aufwändige zusätzliche Prozessschritte im MEMS-Wafer. Die Folgeprozesse nach dem eigentlichen Wiederverschließen sind einfach durchführbar, da weder auf MEMS- noch auf ASIC-Seite eine große Topographie der Waferoberfläche, wie zum Beispiel tiefe offene Gräben, existiert. Die Oberfläche des ASIC lässt sich erfindungsgemäß nach dem Wiederverschließen gut planarisieren.The method according to the invention has a number of advantages. The ASIC wafer generally has a smaller layer thickness than the sensor wafer. This shortens the process time for creating the cavern access. If this is for example. created with a trench process, this will be more cost-effective. The procedure does not require any changes in the MEMS process. All process steps required for reclosing the cavern access take place in the ASIC wafer. This avoids complex additional process steps in the MEMS wafer. The subsequent processes after the actual reclosing are easy to carry out, as there is no large topography of the wafer surface, such as deep open trenches, on either the MEMS or ASIC side. According to the invention, the surface of the ASIC can be well planarized after reclosing.

Somit sind die Wafer auch bezüglich Handling und Weiterverarbeitbarkeit sehr gut vorbereitet für weiterführende Prozesse, wie insbesondere das Anlegen von Durchkontakten (engl. through silicon vias, TSV).The wafers are therefore very well prepared for further processes in terms of handling and further processing, such as the creation of through-silicon vias (TSV) in particular.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens lassen sich das Trenchen zum Anlegen des Kavernenzugangs und zum Anlegen von TSV-Gräben in einem gemeinsamen Prozessschritt durchführen, was besonders kosteneffizient ist.In an advantageous embodiment of the method, the trenching for creating the cavern access and for creating TSV trenches can be carried out in a common process step, which is particularly cost-efficient.

FigurenlisteFigure list

  • 1 zeigt ein ASIC-Substrat mit einem Zugangsbereich, der von ASIC-Strukturen ausgespart ist. 1 shows an ASIC substrate with an access area that is cut out by ASIC structures.
  • 2 zeigt schematisch das ASIC-Substrat mit dem Zugangsbereich, in den ein Sackloch eingebracht ist. 2 shows schematically the ASIC substrate with the access area in which a blind hole is made.
  • 3 zeigt schematisch das ASIC-Substrat mit einem daran gebondeten MEMS-Substrat, die eine Kaverne umschließen, wobei das Sackloch einen Teil der Kaverne bildet. 3 shows schematically the ASIC substrate with a MEMS substrate bonded to it, which enclose a cavity, the blind hole forming part of the cavity.
  • 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel mit geätztem Kavernenzugang. 4th schematically shows a micromechanical device according to the invention in a first exemplary embodiment with etched cavern access.
  • 5 zeigt schematisch das ASIC-Substrat mit einem daran gebondeten MEMS-Substrat, die eine Kaverne umschließen, wobei der Zugangsbereich noch unbearbeitet ist. 5 shows schematically the ASIC substrate with a MEMS substrate bonded to it, which enclose a cavity, the access area still being unprocessed.
  • 6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit lasergebohrtem Kavernenzugang. 6th schematically shows a micromechanical device according to the invention in a second exemplary embodiment with laser-drilled cavern access.
  • 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel mit Kavernenzugang in einer Ausnehmung. 7th schematically shows a micromechanical device according to the invention in a third exemplary embodiment with cavern access in a recess.
  • 8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem vierten Ausführungsbeispiel mit planarisierter äußerer Oberfläche des ASIC-Substrats. 8th schematically shows a micromechanical device according to the invention in a fourth exemplary embodiment with a planarized outer surface of the ASIC substrate.
  • 9 zeigt schematisch das ASIC-Substrat mit dem daran gebondeten MEMS-Substrat sowie Ätzgräben für den Kavernenzugang und für TSVs. 9 shows schematically the ASIC substrate with the MEMS substrate bonded to it as well as etched trenches for the cavern access and for TSVs.
  • 10 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem fünften Ausführungsbeispiel mit planarisierter äußerer Oberfläche des ASIC-Substrats, TSVs und Rückseitenkontaktierung. 10 schematically shows a micromechanical device according to the invention in a fifth exemplary embodiment with a planarized outer surface of the ASIC substrate, TSVs and rear-side contacts.
  • 11 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, welche eine Kaverne umschließen. 11 shows schematically the method according to the invention for producing a micromechanical device with an ASIC substrate and a MEMS substrate, which enclose a cavern.

Beschreibungdescription

1 zeigt ein ASIC-Substrat mit einem Zugangsbereich, der von ASIC-Strukturen ausgespart ist. 1 shows an ASIC substrate with an access area that is cut out by ASIC structures.

Der notwendige Kavernenzugang für den Laser-Reseal wird erfindungsgemäß durch den ASIC-Wafer realisiert. Als Voraussetzung hierfür muss der ASIC einen Bereich aufweisen, bei dem durch das Anlegen des Kavernenzugangs keine Schädigung der ASIC-Strukturen und der integrierten Schaltung erfolgt. Hierfür wird ein Bereich 45 von wenigen µm2, typischerweise in der Größe 30 × 30 µm bis 50 × 50 µm2 (allgemeiner: 10 × 10 µm2 bis 100 × 100 µm2), von der aktiven Schaltung ausgespart. Der damit verbundene Flächenverlust ist sehr gering. Bei einer ASIC-Größe von z. B. 2 mm2 entspricht der Flächenverlust durch den Kavernenzugang nur ca. 0,1%. 1 zeigt dazu schematisch ein ASIC-Substrat 10 mit ASIC-Strukturen 40 an einer Seite, symbolisiert durch eine Schichtstruktur mit Metallleiterbahnebenen und die Passivierschichten (Oxide, Nitride). Ein Zugangsbereich 45 ist von den ASIC-Strukturen ausgenommen.The necessary cavern access for the laser reseal is realized according to the invention by the ASIC wafer. As a prerequisite for this, the ASIC must have an area in which the creation of the cavern access does not damage the ASIC structures or the integrated circuit. There is an area for this 45 of a few µm 2 , typically in size 30th × 30 µm to 50 × 50 µm 2 (more generally: 10 × 10 µm 2 to 100 × 100 µm 2 ), left out of the active circuit. The associated loss of space is very low. With an ASIC size of e.g. B. 2 mm 2 , the loss of area through the access to the cavern corresponds to only approx. 0.1%. 1 shows schematically an ASIC substrate 10 with ASIC structures 40 on one side, symbolized by a layer structure with metal conductor track levels and the passivation layers (oxides, nitrides). An access area 45 is excluded from the ASIC structures.

Das Anlegen eines Kavernenzugangs durch den ASIC-Wafer, vorbereitet mit dem ausgesparten Zugangsbereich, kann auf verschiedene Arten erfolgen, nämlich erstens mittels Ätzen durch den ASIC, bevorzugt mit einem Trench-Prozess (Deep Reactive Ion Etching) oder zweitens mittels Laserbohren durch den ASIC.The creation of a cavern access through the ASIC wafer, prepared with the recessed access area, can be done in various ways, namely firstly by means of etching through the ASIC, preferably with a trench process (Deep Reactive Ion Etching) or secondly by means of laser drilling through the ASIC.

Die Herstellung des Kavernenzugangs durch den ASIC mittels Ätztechnik, zum Beispiel mittels Plasmaätzen, erfordert eine Anpassung des Ätzvorgangs an die zu ätzenden Materialien. Bei einem ASIC sind dies im Wesentlichen zwei Typen an Materialien, die entfernt werden müssen: Silizium im Bereich des Substrats und Dielektrika (Siliziumoxid, Siliziumnitrid, dotiertes Siliziumoxid) im Bereich des Schichtaufbaus des ASICs.The creation of the cavern access through the ASIC by means of etching technology, for example by means of plasma etching, requires the etching process to be adapted to the materials to be etched. In the case of an ASIC, there are essentially two types of materials that have to be removed: silicon in the area of the substrate and dielectrics (silicon oxide, silicon nitride, doped silicon oxide) in the area of the layer structure of the ASIC.

Der bereits weiter oben erwähnte von einer Schaltung ausgesparte Bereich wird so gestaltet, dass sich in diesem Bereich keine Metalle befinden, sondern lediglich Dielektrika. Dies hat den großen Vorteil, dass der Ätzprozess zur Entfernung dieser Schichten nicht mit Metall verunreinigt wird und zusätzlich die benötigten Ätzeigenschaften auf die Materialgruppe Dielektrika eingeschränkt werden können.The area already mentioned above which is left out of a circuit is designed in such a way that there are no metals in this area, only dielectrics. This has the great advantage that the etching process for removing these layers is not contaminated with metal and, in addition, the required etching properties can be restricted to the dielectric material group.

Der Kavernenzugang wird im ASIC nun in mehreren Schritten angelegt. Hierzu wird zuerst der Bereich der Aussparung von ASIC Strukturen mittels Ätztechnik entfernt. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Strukturierung mittels Fotolithographie und anschließendem Trockenätzen. 2 zeigt dazu schematisch das ASIC-Substrat 10 mit dem Zugangsbereich 45, in den ein Sackloch 62 eingebracht ist.The cavern access will now be created in the ASIC in several steps. For this purpose, the area of the recess of ASIC structures is first removed using etching technology. This is done, for example, by structuring by means of photolithography and subsequent dry etching. 2 shows schematically the ASIC substrate 10 with the access area 45 in which a blind hole 62 is introduced.

Der so vorbereitete ASIC wird nun mit einem MEMS-Wafer gebondet. Hierzu kann z. B. ein eutektisches Bondverfahren, ein Thermokompressionsbonden oder auch ein Sealglas- (glass frit) Bondverfahren eingesetzt werden.The ASIC prepared in this way is now bonded to a MEMS wafer. For this purpose, z. B. a eutectic bonding process, a thermocompression bonding or a seal glass (glass frit) bonding process can be used.

3 zeigt schematisch das ASIC-Substrat 10 mit einem daran gebondeten MEMS-Substrat 20, die eine Kaverne 30 umschließen, wobei das Sackloch 62 einen Teil der Kaverne bildet. In der Kaverne ist an dem MEMS-Substrat eine mikromechanische Struktur 50 angeordnet. 3 shows schematically the ASIC substrate 10 with a MEMS substrate bonded to it 20th who have favourited a cavern 30th enclose, with the blind hole 62 forms part of the cavern. A micromechanical structure is located on the MEMS substrate in the cavity 50 arranged.

Danach wird das ASIC-Substrat gedünnt auf typischerweise 100 µm und für den Kavernenzugang ein Graben in das ASIC-Substrat geätzt. Der entstandene Kavernenzugang ist typischerweise im Durchmesser kleiner als der zuvor von der aktiven ASIC-Seite freigelegte Bereich, nämlich das Sackloch 62, im Oxid-/Nitrid-Stapel, wie auch in der nachfolgenden 4 angedeutet. Der Kavernenzugang wird genutzt, um einen definierten Gasdruck in der MEMS-Kaverne einzustellen und wird dann besonders bevorzugt mittels der Laser-Reseal-Technik verschlossen. Das Resultat ist in 4 dargestellt. Andere Verschlusstechniken, z. B. Oxidreseal, sind ebenfalls möglich.The ASIC substrate is then thinned to typically 100 µm and a trench is etched into the ASIC substrate for access to the cavern. The resulting cavern access is typically smaller in diameter than the area previously exposed by the active ASIC side, namely the blind hole 62 , in the oxide / nitride stack, as well as in the following 4th indicated. The cavern access is used to set a defined gas pressure in the MEMS cavern and is then particularly preferably sealed using the laser reseal technique. The result is in 4th shown. Other locking techniques, e.g. B. oxide reseal are also possible.

4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel mit geätztem Kavernenzugang. Die Vorrichtung weist ein rückgedünntes ASIC-Substrat 11 und ein MEMS Substrat 20 auf, welche eine Kaverne 30 umschließen. ASIC Strukturen 40 weisen dabei zur Kaverne hin. In der Kaverne ist eine mikromechanische Struktur 50 bei einer Atmosphäre mit bestimmtem Druck und bestimmter Zusammensetzung verpackt. Die Vorrichtung weist einen Kavernenzugang 60 in Form eines anisotropen Ätzkanals mit einem Graben 64 auf, der in einem Sackloch 62 mündet, welches Teil der Kaverne ist. Der Kavernenzugang durchläuft somit einen Zugangsbereich 45 in dem ASIC, welcher frei von ASIC Strukturen 40 ist. Der Kavernenzugang weist einen stoffschlüssigen Verschluss 65 auf. 4th schematically shows a micromechanical device according to the invention in a first exemplary embodiment with etched cavern access. The device has a thinned ASIC substrate 11 and a MEMS substrate 20th on what a cavern 30th enclose. ASIC structures 40 point to the cavern. There is a micromechanical structure in the cavern 50 packed in an atmosphere with a certain pressure and composition. The device has a cavern access 60 in the form of an anisotropic etching channel with a trench 64 on that in a blind hole 62 opens, which is part of the cavern. The cavern access thus runs through an access area 45 in the ASIC, which is free of ASIC structures 40 is. The access to the cavern has a cohesive seal 65 on.

Eine Alternative zu dem geschilderten Verfahren, insbesondere zu dem ersten Ätzen der dielektrischen Schichten von der aktiven ASIC-Seite und dem anschließenden Ätzen des Substrats von der Waferrückseite, ist ein Ätzen des Substrats inklusive der dielektrischen Schichten von einer Waferseite aus. Dies kann sowohl vor als auch nach dem Bondvorgang erfolgen.An alternative to the method described, in particular to the first etching of the dielectric layers from the active ASIC side and the subsequent etching of the substrate from the wafer rear side, is to etch the substrate including the dielectric layers from one side of the wafer. This can be done both before and after the bonding process.

Zu beachten ist bei dem Verfahren, vor dem Bonden den Kavernenzugang komplett zu ätzen, dass eine Bearbeitung der Wafer nur noch eingeschränkt möglich ist. Insbesondere das Transferieren der Wafer erfolgt gewöhnlich durch eine Vakuumansaugung auf dem Träger, was jedoch bei einem Wafer mit Löchern nicht mehr möglich ist.In the process of completely etching the cavern access before bonding, it should be noted that processing of the wafers is only possible to a limited extent. In particular, the wafers are usually transferred by vacuum suction on the carrier, but this is no longer possible with a wafer with holes.

Zu beachten bei der Variante, die Kavernenöffnung durch das ASIC-Substrat und die dielektrischen Schichten nach dem Bonden zu ätzen, ist die reduzierte Selektivität und damit eine mögliche Schädigung der Strukturen in der Kaverne. In dem Moment, in dem der Kavernenzugang zur Kaverne durchstößt, kann das Ätzgas, das in diesem Fall besonders Dielektrika ätzt, alle umliegenden Dielektrika des ASICs und auch des MEMS, angreifen. Da ein Überätzen aufgrund von Prozesschwankungen (sowohl von Wafer zu Wafer als auch durch die Inhomogenität der Ätzrate über den Waferdurchmesser) nicht vermieden werden kann, wäre mit Schädigungen der dielektrischen Schichten auf dem ASIC-Wafer oder auch dem MEMS-Wafer zu rechnen. Hiergegen müssten zusätzliche Maßnahmen getroffen werden.With the variant of etching the cavern opening through the ASIC substrate and the dielectric layers after bonding, the reduced selectivity and thus possible damage to the structures in the cavern must be taken into account. At the moment the cavern access penetrates the cavern, the etching gas, which in this case particularly etches dielectrics, can attack all of the surrounding dielectrics of the ASIC and also of the MEMS. Since overetching cannot be avoided due to process fluctuations (both from wafer to wafer and due to the inhomogeneity of the etching rate across the wafer diameter), damage to the dielectric layers on the ASIC wafer or the MEMS wafer is to be expected. Additional measures would have to be taken against this.

Aus den genannten Gründen wird der zuerst beschriebene Herstellungsprozess, das Entfernen der Dielektrika vor dem Bonden und Ätzen des ASIC-Substrats nach dem Bonden, bevorzugt.For the reasons mentioned, the manufacturing process described first, removing the dielectrics before bonding and etching the ASIC substrate after bonding, is preferred.

Um den Herstellungsprozess der Kavernenöffnung zu vereinfachen, kann anstelle des Ätzverfahrens ein Laserbohrverfahren angewendet werden. Unter Laserbohren wird in diesem Zusammenhang ein Verfahren verstanden, das Materialabtrag durch den Einsatz eines Lasers ermöglicht. Derartige Verfahren sind auch als Laser-Ablation bekannt. Bei diesem Verfahren wird der ASIC-Wafer mit dem darin angelegten Zugangsbereich 45 zum MEMS Wafer zeigend, mit dem MEMS-Wafer gebondet. 5 zeigt schematisch das ASIC-Substrat 10 mit einem daran gebondeten MEMS-Substrat 20, die eine Kaverne 30 umschließen, wobei der Zugangsbereich 45 noch unbearbeitet ist.In order to simplify the manufacturing process of the cavern opening, a laser drilling process can be used instead of the etching process. In this context, laser drilling is understood to mean a method that enables material to be removed using a laser. Such procedures are also known as laser ablation. In this process, the ASIC wafer with the access area created in it 45 pointing to the MEMS wafer, bonded to the MEMS wafer. 5 shows schematically the ASIC substrate 10 with a MEMS substrate bonded to it 20th who have favourited a cavern 30th enclose, with the access area 45 is still unprocessed.

Anschließend wird mittels Laserbohren der Kavernenzugang 60 durch das ASIC-Substrat 10 und die dielektrischen Schichten hergestellt. Der große Vorteil beim Laserbohren gegenüber dem Ätzen ist die nicht-Selektivität des Laserbohrens. D. h. unabhängig von den verwendeten Materialien (Metalle, Silizium, Dielektrika, Siliziumoxid ...) kann mittels Laserbohren Material entfernt werden. Damit ist es in diesem Verfahren nicht notwendig, dass in dem ausgesparten Zugangsbereich 45 lediglich Dielektrika vorhanden sind, es können auch Metalle vorhanden sein. Dies erleichtert die Konstruktion des ASICs, da aufgrund von Design-Rules des ASIC-Herstellers in jeder Metallebene bestimmte Füllgrade durch Metall nicht unter- und auch nicht überschritten werden dürfen.Then the cavern access is made by means of laser drilling 60 through the ASIC substrate 10 and the dielectric layers are made. The great advantage of laser drilling compared to etching is the non-selectivity of laser drilling. I. E. Irrespective of the materials used (metals, silicon, dielectrics, silicon oxide ...), material can be removed by means of laser drilling. It is therefore not necessary in this method that in the recessed access area 45 only dielectrics are present, metals can also be present. This facilitates the construction of the ASIC, since due to the design rules of the ASIC manufacturer, certain levels of metal filling must not be fallen below or exceeded in each metal level.

6 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit lasergebohrtem Kavernenzugang. 6th schematically shows a micromechanical device according to the invention in a second exemplary embodiment with laser-drilled cavern access.

Dargestellt ist die Vorrichtung nach Laserbohren und anschließendem Verschließen des Kavernenzugangs mittels Laser-Reseal oder ähnlichen Verfahren, z. B. Oxid-Reseal. Die Vorrichtung ist ähnlich zu der in 4 dargestellten Variante. Allerdings weist in 6 der Kavernenzugang 60 aufgrund des Laserbohrverfahrens einen nahezu unveränderten Durchmesser im ASIC-Substratwafer 10 und in dem Metall-Oxid-Schichtstapel (in 6 sind im Zugangsbereich 45 nur Dielektrika dargestellt) auf. Im MEMS-Wafer 20 müssen eventuell Vorkehrungen getroffen werden, dass der Laserstrahl beim Durchbrechen des Metall-Oxid-Stapels des ASICs nicht auch noch empfindliche MEMS-Strukturen beschädigt. Dies wird durch eine geeignete Lage des Kavernenzugangs sichergestellt, der im Allgemeinen lateral mit einem Abstand von empfindlichen MEMS-Strukturen angeordnet wird. Derartige Details sind aus Gründen der Vereinfachung in den 5 und 6 nicht berücksichtigt.The device is shown after laser drilling and subsequent closure of the cavern access using laser reseal or similar Procedure, e.g. B. Oxide Reseal. The device is similar to that in 4th shown variant. However, in 6th the cavern access 60 Due to the laser drilling process, the diameter in the ASIC substrate wafer is almost unchanged 10 and in the metal-oxide layer stack (in 6th are in the access area 45 only dielectrics shown). In the MEMS wafer 20th It may be necessary to take precautions so that the laser beam does not damage sensitive MEMS structures when it breaks through the metal-oxide stack of the ASIC. This is ensured by a suitable location of the cavern access, which is generally arranged laterally at a distance from sensitive MEMS structures. Such details are for the sake of simplicity in the 5 and 6th not taken into account.

Unabhängig von der Herstellungsmethode mittels Ätzen oder Laserbohren entsteht an dem verschlossenen Kavernenzugang bei Verwendung des Laser-Reseals eine unebene Oberfläche, siehe 4 und 6. Diese Topographie kann nachteilig für die weitere Verarbeitung sein, weil der Transfer der Wafer erschwert wird. Das Ansaugen des Wafers mittels Vakuum wird hierdurch erschwert oder unmöglich. Zusätzlich kann durch die entstehenden Druckstellen an erhabenen Stellen der unebenen Oberfläche der Verschluss des Kavernenzugangs beschädigt werden.Regardless of the manufacturing method by means of etching or laser drilling, an uneven surface is created at the closed cavern access when using the laser reseal, see 4th and 6th . This topography can be disadvantageous for further processing because the transfer of the wafers is made more difficult. This makes it difficult or impossible to suck in the wafer by means of a vacuum. In addition, the pressure points that arise at raised points on the uneven surface can damage the closure of the cavern access.

Daher ist es vorteilhaft, den Verschluss tiefer zu legen. Es ist hierzu günstig, vor dem Einbringen des Kavernenzugangs eine Ausnehmung an der äußeren Oberfläche, also an der Rückseite des ASIC anzulegen, 7 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem dritten Ausführungsbeispiel mit Kavernenzugang in einer Ausnehmung. Dargestellt ist eine Vorrichtung ähnlich zu der in 6 gezeigten. Abweichend davon weist jedoch der ASIC 10 an seiner Rückseite eine Ausnehmung 70 auf, welche so tief angelegt ist, dass der stoffschlüssige Verschluss 65 des Kavernenzugangs 60 nicht die äußere Oberfläche an der Rückseite des ASIC überragt.It is therefore advantageous to lower the closure. For this purpose, it is beneficial to create a recess on the outer surface, i.e. on the back of the ASIC, before introducing the cavern access. 7th schematically shows a micromechanical device according to the invention in a third exemplary embodiment with cavern access in a recess. A device similar to that in FIG 6th shown. Deviating from this, however, the ASIC 10 a recess on its back 70 on, which is so deep that the cohesive closure 65 of cavern access 60 does not protrude beyond the outer surface on the rear of the ASIC.

Vorteilhaft ist auch, den Verschluss zu planarisieren, etwa mit Schleifprozessen (grinding) oder auch CMP-Prozessen (Chemical Mechanical Polishing). 8 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem vierten Ausführungsbeispiel mit planarisierter äußerer Oberfläche des ASIC-Substrats. Der stoffschlüssige Verschluss 65 ist dabei eingeebnet.It is also advantageous to planarize the closure, for example using grinding processes or also CMP processes (Chemical Mechanical Polishing). 8th schematically shows a micromechanical device according to the invention in a fourth exemplary embodiment with a planarized outer surface of the ASIC substrate. The cohesive closure 65 is leveled thereby.

Auch die Kombination der beiden Prozessschritte aus den 7 und 8, also zunächst Tieferlegen des Verschlusses und anschließendes Planarisieren, ist möglich. Diese Kombination ist besonders vorteilhaft, da der Planarisierungsprozess wesentlich besser (defektärmer und homogener bzgl. der Abtragrate) funktioniert, wenn das Schleifen oder der CMP-Prozess auf einer großflächig belasteten Oberfläche erfolgt und nicht auf einzelnen, im Vergleich zur Gesamtfläche des Wafers extrem kleinen Erhebungen, wie es bei den in den 4 und 6 dargestellten Vorrichtungen der Fall wäre.The combination of the two process steps from the 7th and 8th , i.e. first lowering the closure and subsequent planarization, is possible. This combination is particularly advantageous because the planarization process works much better (with fewer defects and more homogeneously with regard to the removal rate) if the grinding or the CMP process is carried out on a large-area stressed surface and not on individual bumps that are extremely small compared to the total area of the wafer like the ones in the 4th and 6th devices shown would be the case.

Nach dem Planschleifen (Zustand von 8) weisen die Wafer einen optimalen Zustand bezüglich Handling und Weiterverarbeitbarkeit auf. Insbesondere lassen sich nun besonders einfach und zuverlässig fortgeschrittene Verpackungsprozesse auf der nahezu topographiefreien Oberfläche durchführen. Hierzu zählen zum Beispiel das Anlegen von Durchkontakten (TSVs) sowie von Passivierschichten, Metallumverdrahtungen (engl.: redistribution layer, RDL) und Lotkugeln. Mit diesen Prozessen lassen sich die elektrischen Signale von der aktiven (der Kaverne zugewandten) ASIC-Seite auf die ASIC-Rückseite bringen (TSVs), auf der Rückseite umverdrahten (RDL) und schließlich über die Lotkugeln auf eine Leiterplatte kontaktieren.After surface grinding (state of 8th ) the wafers are in an optimal condition in terms of handling and further processing. In particular, advanced packaging processes can now be carried out particularly easily and reliably on the almost topography-free surface. This includes, for example, the creation of vias (TSVs) as well as passivation layers, metal rewiring (redistribution layer, RDL) and solder balls. With these processes, the electrical signals can be brought from the active ASIC side (facing the cavern) to the rear side of the ASIC (TSVs), rewired on the rear side (RDL) and finally connected to a circuit board via the solder balls.

Das Anlegen von TSVs erfordert eine Ätzung des ASIC-Substrats. Da bei dem Herstellen des Kavernenzugangs durch Ätzen (4) ebenfalls das ASIC-Substrat geätzt wird, kann dieser Schritt in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zusammen mit dem Ätzen weiterer Gräben für TSVs erfolgen. Dies ist besonders wirtschaftlich, da die Ätzungen von TSV Gräben und Kavernenzugang in einem Schritt erfolgen können.Applying TSVs requires etching the ASIC substrate. Since the creation of the cavern access by etching ( 4th ) the ASIC substrate is also etched, this step can be carried out in an advantageous embodiment of the invention together with the etching of further trenches for TSVs. This is particularly economical since the etching of TSV trenches and cavern access can be carried out in one step.

9 zeigt schematisch das ASIC-Substrat mit dem daran gebondeten MEMS-Substrat sowie Ätzgräben für den Kavernenzugang und für TSVs. Die Vorrichtung ist ähnlich zu der unter 4 beschriebenen vor dem Wiederverschließen. Die Vorrichtung weist jedoch neben dem Graben 64 für den Kavernenzugang 60 noch weitere Gräben 66 für Durchkontaktierungen (TSVs) auf. Die weiteren Gräben 66 enden dazu auf TSV Landepads 42. 9 shows schematically the ASIC substrate with the MEMS substrate bonded to it as well as etched trenches for the cavern access and for TSVs. The device is similar to that below 4th described before resealing. The device, however, has next to the trench 64 for access to the cavern 60 still more trenches 66 for vias (TSVs). The other trenches 66 end on TSV landing pads 42 .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung (nicht bildlich dargestellt) beinhaltet, dass bei Vorhandensein von mehreren getrennten Kavernen auf einem Chip, zum Beispiel für einen Drehratensensor und einen Beschleunigungssensor, über den Trenchprozess für den Kavernenzugang gleichzeitig mehrere Kavernenzugänge angelegt werden (also im Beispiel je einer für den Drehratensensor und den Beschleunigungssensor), diese aber sukzessive mit verschiedenen Gasdrücken mittels zweier aufeinander folgender Laser-Reseal-Prozesse verschlossen werden. Eine mögliche Prozessfolge wäre also

  1. i) Einstellen eines ersten Gasdrucks,
  2. ii) Laser-Reseal des ersten Kavernenzugangs, anschließend
  3. iii) Einstellen eines zweiten Gasdrucks und
  4. iv) Laser-Reseal des zweiten Kavernenzugangs).
A further embodiment of the invention (not shown in the figure) includes that if there are several separate caverns on a chip, for example for a rotation rate sensor and an acceleration sensor, several cavern accesses are created simultaneously via the trench process for the cavern access (i.e. in the example one for each the rotation rate sensor and the acceleration sensor), but these are gradually closed with different gas pressures by means of two successive laser reseal processes. One possible process sequence would be
  1. i) setting a first gas pressure,
  2. ii) Laser reseal of the first cavern access, then
  3. iii) setting a second gas pressure and
  4. iv) Laser reseal of the second cavern access).

Der optional folgende Planarisierungsprozess ebnet die beim Laser-Reseal entstehende Topographie für beide Zugänge gleichzeitig ein. In vorteilhafter Weise kann somit mit nur sehr geringem Zusatzaufwand (es werden lediglich die Prozessschritte iii), iv) zusätzlich benötigt) auch für eine zweite Kaverne ein sehr gut definierter und wenn erforderlich auch besonders hoher oder besonders niedriger Innendruck eingestellt werden.The planarization process that follows, optionally, levels the topography created during the laser reseal for both accesses at the same time. In an advantageous manner, with only very little additional effort (only process steps iii), iv) are additionally required), a very well-defined and, if necessary, particularly high or particularly low internal pressure can also be set for a second cavern.

10 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße mikromechanische Vorrichtung in einem fünften Ausführungsbeispiel mit planarisierter äußerer Oberfläche des ASIC-Substrats, TSVs und Rückseitenkontaktierung. 10 schematically shows a micromechanical device according to the invention in a fifth exemplary embodiment with a planarized outer surface of the ASIC substrate, TSVs and rear-side contacts.

Nach dem gemeinsamen Trenchen von Graben 64 für Kavernenzugang 60 und TSV-Gräben 66 erfolgt zunächst der Reseal-Prozess und der (optionale) Planarisierungsprozess, anschließend der fortgeschrittene Verpackungs-Prozess. Hierbei wird typischerweise in den TSV Ätzungen 66 an den Seitenwänden ein Dielektrikum zur Isolation angelegt, die Isolation wird am Grund des TSV-Grabens geöffnet, um ein Metallpad 42 im ASIC zugängig zu machen, und im nächsten Schritt werden die TSV-Gräben ganz oder teilweise mit Metall verfüllt. Die Metallisierung der Seitenwände kann vorteilhafterweise gemäß dem Stand der Technik gleichzeitig (also ohne gesonderte Schichtabscheidung) für die Metallisierung der Metallumverdrahtungen (RDL) 80 auf der ASIC-Rückseite zur Kontaktierung der Lotkugeln 90 verwendet werden.After cutting trenches together 64 for cavern access 60 and TSV trenches 66 The reseal process and the (optional) planarization process are carried out first, followed by the advanced packaging process. Etching is typically used in the TSV 66 A dielectric is applied to the side walls for insulation, the insulation is opened at the bottom of the TSV trench around a metal pad 42 in the ASIC, and in the next step the TSV trenches are completely or partially filled with metal. The metallization of the side walls can advantageously be carried out according to the prior art at the same time (i.e. without separate layer deposition) for the metallization of the metal rewiring (RDL) 80 on the back of the ASIC for contacting the solder balls 90 be used.

11 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, welche eine Kaverne umschließen. 11 shows schematically the method according to the invention for producing a micromechanical device with an ASIC substrate and a MEMS substrate, which enclose a cavern.

Das Verfahren beinhaltet die wesentlichen Schritte:

  1. A: Bereitstellen eines ASIC-Substrats mit einem Zugangsbereich, der von ASIC Strukturen ausgespart ist;
  2. B: Bonden des ASIC-Substrats mit einem MEMS Substrat, wobei die ASIC-Strukturen an die Kaverne angrenzen;
  3. C: Herstellen eines Kavernenzugangs durch Herstellen einer durchgehenden Ausnehmung von einer äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats bis zur Kaverne;
  4. D: Wiederverschließen des Kavernenzugangs mit einem stoffschlüssigen Verschluss an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats.
The procedure includes the essential steps:
  1. A: Providing an ASIC substrate with an access area that is cut out by ASIC structures;
  2. B: bonding the ASIC substrate to a MEMS substrate, the ASIC structures adjoining the cavern;
  3. C: producing a cavern access by producing a continuous recess from an outer surface of the ASIC substrate to the cavern;
  4. D: Reclosing the access to the cavern with an integral closure on the outer surface of the ASIC substrate.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
ASIC SubstratASIC substrate
1111
rückgedünntes ASIC-Substratthinned ASIC substrate
1212th
rückseitig abgetragener SubstratteilPart of the substrate removed from the back
2020th
MEMS SubstratMEMS substrate
3030th
Kavernecavern
4040
ASIC StrukturASIC structure
4242
TSV PadsTSV pads
4545
ZugangsbereichAccess area
5050
MEMS StrukturMEMS structure
6060
KavernenzugangCavern access
6262
SacklochBlind hole
6464
Grabendig
6565
VerschlussClasp
6666
weiterer Graben für Durchkontaktfurther trench for via
7070
AusnehmungRecess
8080
Metallumverdrahtung (RDL)Metal rewiring (RDL)
9090
LotkugelSolder ball

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2004542 B1 [0002]EP 2004542 B1 [0002]
  • US 20160244325 A1 [0002]US 20160244325 A1 [0002]
  • US 20160355394 A1 [0002]US 20160355394 A1 [0002]
  • DE 102014202801 A1 [0002]DE 102014202801 A1 [0002]
  • DE 201710207111 A1 [0004]DE 201710207111 A1 [0004]
  • DE 102017215531 A1 [0004]DE 102017215531 A1 [0004]

Claims (16)

Mikromechanische Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat (10, 11) und einem MEMS-Substrat (20), welche eine Kaverne (30) umschließen, mit einem wiederverschlossenen Kavernenzugang (60) mit einem stoffschlüssigen Verschluss (65) an einer äußeren Oberfläche der Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Kavernenzugang von einer äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats bis zur Kaverne durch einen Zugangsbereich (45) des ASIC-Substrats verläuft, der von ASIC-Strukturen (40) ausgespart ist.Micromechanical device with an ASIC substrate (10, 11) and a MEMS substrate (20), which enclose a cavity (30), with a reclosed cavern access (60) with an integral closure (65) on an outer surface of the device, characterized in that the access to the cavern runs from an outer surface of the ASIC substrate to the cavern through an access area (45) of the ASIC substrate which is cut out by ASIC structures (40). Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss (65) aus einer erstarrten Schmelze aus dem Material an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats (10, 11) besteht, welches den Kavernenzugang (60) umgibt und insbesondere ein Laserschmelzverschluss ist.Micromechanical device according to Claim 1 , characterized in that the closure (65) consists of a solidified melt from the material on the outer surface of the ASIC substrate (10, 11) which surrounds the cavern access (60) and is in particular a laser fusible link. Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kavernenzugang (60) in Form einer Laserbohrung ausgestaltet ist.Micromechanical device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the cavern access (60) is designed in the form of a laser drilling. Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kavernenzugang (60) in Form eines anisotropen Ätzkanals ausgestaltet ist.Micromechanical device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the cavern access (60) is designed in the form of an anisotropic etching channel. Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats (10, 11) eine Ausnehmung (70) mit einem Boden aufweist und der Kavernenzugang (60) mit dem Verschluss (65) an dem Boden angeordnet ist.Micromechanical device according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the device has a recess (70) with a floor on the outer surface of the ASIC substrate (10, 11) and the cavern access (60) with the closure (65) is arranged on the floor. Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ASIC Substrat (11) rückgedünnt ist.Micromechanical device according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the ASIC substrate (11) is thinned back. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ASIC-Substrat und einem MEMS-Substrat, welche eine Kaverne umschließen, mit den Schritten: A: Bereitstellen eines ASIC-Substrats mit einem Zugangsbereich, der von ASIC Strukturen ausgespart ist; B: Bonden des ASIC-Substrats mit einem MEMS Substrat, wobei die ASIC-Strukturen an die Kaverne angrenzen; C: Herstellen eines Kavernenzugangs durch Herstellen einer durchgehenden Ausnehmung von einer äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats bis zur Kaverne; D: Wiederverschließen des Kavernenzugangs mit einem stoffschlüssigen Verschluss an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats.Method for producing a micromechanical device with an ASIC substrate and a MEMS substrate, which enclose a cavity, with the steps: A: Providing an ASIC substrate with an access area that is cut out by ASIC structures; B: bonding the ASIC substrate to a MEMS substrate, the ASIC structures adjoining the cavern; C: producing a cavern access by producing a continuous recess from an outer surface of the ASIC substrate to the cavern; D: Reclosing the access to the cavern with an integral closure on the outer surface of the ASIC substrate. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - nach dem Schritt A und vor dem Schritt B ein Sackloch in den Zugangsbereich des ASIC Substrats eingebracht wird; - im Schritt B das ASIC-Substrat derart auf das MEMS-Substrat gebondet wird, dass das Sackloch einen Teil einer Kaverne bildet; und - im Schritt C zum Herstellen der durchgehenden Ausnehmung ein Graben von der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats bis zum Sackloch eingebracht wird.Method for producing a micromechanical device according to Claim 7 , characterized in that - after step A and before step B, a blind hole is made in the access area of the ASIC substrate; - In step B, the ASIC substrate is bonded to the MEMS substrate in such a way that the blind hole forms part of a cavern; and in step C a trench is made from the outer surface of the ASIC substrate to the blind hole in order to produce the continuous recess. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch mittels eines Ätzprozesses eingebracht wird.Method for producing a micromechanical device according to Claim 8 , characterized in that the blind hole is made by means of an etching process. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt C der Kavernenzugang durch Laserbohren hergestellt wird.Method for producing a micromechanical device according to one of the Claims 7 to 9 , characterized in that in step C the access to the cavern is established by laser drilling. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Graben mittels eines Ätzprozesses eingebracht wird.Method for producing a micromechanical device according to one of the Claims 8 or 9 , characterized in that the trench is introduced by means of an etching process. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Ätzprozesses auch wenigstens ein weiterer Graben für einen Durchkontakt eingebracht wird.Method for producing a micromechanical device according to Claim 11 , characterized in that at least one further trench for a via is also introduced by means of the etching process. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt D der stoffschlüssige Verschluss mittels Laserschmelzen hergestellt wird.Method for producing a micromechanical device according to one of the Claims 7 to 12th , characterized in that in step D the cohesive closure is produced by means of laser melting. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt D an der äußeren Oberfläche des ASIC-Substrats mittels eines Ätzprozesses eine Ausnehmung mit einem Boden hergestellt wird und der Kavernenzugang an dem Boden angeordnet wird.Method for producing a micromechanical device according to one of the Claims 7 to 13th , characterized in that, before step D, a recess with a floor is produced on the outer surface of the ASIC substrate by means of an etching process and the cavern access is arranged on the floor. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das ASIC Substrat nach dem Schritt B an der äußeren Oberfläche, insbesondere durch Schleifen und/oder chemisch-mechanisches Polieren, abgedünnt wird.Method for producing a micromechanical device according to one of the Claims 7 to 14th , characterized in that the ASIC substrate after step B on the outer Surface is thinned, in particular by grinding and / or chemical-mechanical polishing. Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das ASIC Substrat nach dem Schritt D an der äußeren Oberfläche, insbesondere durch Schleifen und/oder chemisch-mechanisches Polieren, planarisiert wird.Method for producing a micromechanical device according to one of the Claims 7 to 15th , characterized in that the ASIC substrate is planarized after step D on the outer surface, in particular by grinding and / or chemical-mechanical polishing.
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